Электронный (цифровой) счетчик электрической энергии

Основные недостатки индукционных счетчиков и перспективы их замены на цифровые счетчики электрической энергии

Индукционные счетчики электрической энергии (рис. 5.1) с вращением легкого алюминиевого диска в магнитном поле двух катушек (токовой и катушки напряжения) имеют большую относительную погрешность (су > 2 %), что недопустимо при учете больших мощностей, в частности для больших промышленных предприятий (более 169 кВт)^[1]. Поэтому целесообразно повсеместное использование цифровых счетчиков электрической энергии (ЦСЭЭ) с погрешностью су < 0,5 %. В Японии, например, к настоящему времени полностью завершена замена индукционных счетчиков на цифровые (рис. 5.2). Кроме того, индукционные счетчики подвержены влиянию различных магнитных полей, что создает условия для несанкционированного съема энергии недобросовестными потребителями.

Рис. 5.1. Принцип работы индукционного счетчика электрической энергии¹

Рис. 5.2. Вид современного двухтарифного зарубежного ЦСЭЭ (Швеция)¹

Функциональная схема цифрового счетчика электрической энергии и основы его работы

В настоящее время широко применяются ЦСЭЭ, работающие по принципу «широтно-импульсная модуляция — амплитудноимпульсная модуляция» (ШИМ-АИМ)^{1 [2]} . Простейшая структурная схема ЦСЭЭ представлена на рис. 5.3 в виде трех основных узлов: импульсное перемножающее устройство ИПУ, преобразователь напряжение — частота ПНЧ (иногда — импульсный интегратор ИИ), цифровой индикатор ЦИ.

Рис. 5.3. Структурная схема ЦСЭЭ

Эта схема еще называется схемой двухтактного интегрирования, поскольку в ней осуществляется два такта преобразования: 1) широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и 2) амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). Рассмотрим кратко принцип работы ЦСЭЭ (рис. 5.4), осуществляемой на основе ШИМ-АИМ.

Рис. 5.4. Функциональная схема ЦСЭЭ

На вход ИПУ подаются два напряжения:

• 1) П_х(/) — напряжение, пропорциональное действующему значению потребляемого тока I;
• 2) и_у(1Г) — действующая величина входного напряжения.

В ИПУ за счет «импульсного перемножения» двух вышеупомянутых величин (тока и напряжения) формируется импульсная мощность Р_и, величина Р_о среднего значения которой подается на ПНЧ, где эта мощность преобразуется в величину, пропорциональную частоте/импульсов, для ее дальнейшего преобразования в соответствующую величину потребляемой энергии

Рассмотрим, как это осуществляется.

Поступающее в узел ШИМ напряжение и_х, пропорциональное току I, преобразуется в «ширину импульсов» , т. е. в скважность <2:

где <2 — безразмерный энергетический параметр, характеризующий накопление большой энергии во время длительной паузы Г_п и ее генерирование во время кратковременного импульса Г_и. Так что чем больше ток I, тем шире по длительности импульсы (рис. 5.5).

Этот процесс преобразования в измерительной технике называют первым тактом интегрирования.

Величина, обратная скважности, у = 1/<2, называется коэффициентом заполнения импульсов¹ (часто в процентах), она также отмечена на рис. 5.5.

Гельман М. М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. М. : Изд-во стандартов, 2009.

Рис. 5.5. Пример осуществления первого такта интегрирования: длительность заштрихованных импульсов С_и пропорциональна току (в процентах отмечена величина коэффициента заполнения импульсов)

Далее начинается второй такт интегрирования — преобразование в амплитудно-импульсном модуляторе (АИМ) сформированных ШИМ импульсов в их «амплитуду»: на вход узла АИМ поступает вторая контролируемая величина 1/_у(Ц) — действующее входное напряжение ки, где к — масштабный коэффициент (см. рис. 5.3), в результате преобразования на выходе узла АИМ выделяется «импульсная мощность» Р_И, соответствующая произведению двух контролируемых величин — тока и напряжения, среднее значение Р_о которой с выхода ФНЧ узла АИМ поступает для дальнейшего преобразования в узел ПНЧ (см. рис. 5.4 и 5.6).

Рис. 5.6. Второй такт интегрирования: импульсы ШИМ модулируются по амплитуде напряжением и с выделением импульсной Р_и и средней Р_о мощности

Ранее был рассмотрен один из вариантов осуществления время-импульсного преобразования (ВИП) на основе ЧИМ с применением генератора треугольных импульсов и триггера Шмитта и используемого в ПНЧ цифрового вольтметра (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Вариант ВИП в ПНЧ цифрового вольтметра

В нем входное измеряемое напряжение П_изм для его преобразования в цифровое значение изменяет «наклон» треугольных импульсов, поступающих от ГТИ, в результате чего триггер Шмитта выдает на выходе прямоугольные импульсы с частотой, пропорциональной этому и_изм. На рис. 5.8 показаны три случая входного воздействия на ГТИ.

Рис. 5.8. Иллюстрация процессов в ПНЧ на основе ЧИМ

В первом случае измеряемое напряжение равно нулю и ТШ выдает частоту следования импульсовпри которой среднее значение измеряемого напряжения и₀ = 0. Далее показаны случаи «выдачи триггером» большей и меньшей частоты, пропорциональной соответствующей величине входного воздействия^[3].

Среднее значение и₀ сформированной ПНЧ частоты, соответствующее измеряемой мощности Р_о, должно подаваться на цифровое регистрирующее устройство с цифровым индикатором на его выходе (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Один из вариантов отечественного типового счетчика «Меркурий 201»

Однако нельзя забывать, что счетчиком измеряется энергия, т. е. мощность, потребляемая нагрузкой за единицу времени. Поэтому счетчик нужно отрегулировать в единицах энергии, т. е. в киловатт-часах (кВт-ч), задавшись при этом максимальными напряжениями на выходах датчиков (трансформаторов) тока и напряжения. Очевидно, частота на выходе ПНЧ, соответствующая потребляемой энергии в 1 кВт-ч, должна быть равна 3600 Гц, так как этой частоте соответствует потребляемая по стандарту мощность за 1 ч, т. е. за 3600 с. Эти условия задаются соответствующим выбором постоянной времени задающих элементов ПНЧ (импульсного интегратора).

В настоящее время в типовых стандартных счетчиках применяются готовые промышленные ИПУ и ПНЧ на основе интегральных микросхем (ИМС) и микроконтроллеров (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Структурная схема стандартного счетчика электрической энергии

Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снимаются с датчиков (измерительных трансформаторов) тока и напряжения и поступают на вход преобразователя для их перемножения и получения текущей потребляемой мощности. Этот сигнал затем поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт-ч и изменяющего показания счетчика по мере накопления сигналов. Для сохранения показаний счетчика при сбоях по питанию применяется так называемое запоминающее устройство типа EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) — электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ, представляющее собой один из видов энергопамяти. Поскольку сбои по питанию являются характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счетчике. Алгоритм работы программы прост. При включении питания микроконтроллер считывает из EEPROM последнее сохраненное значение и выводит его на дисплей, после чего переходит в режим подсчета импульсов, поступающих от преобразователя, и, по мере накопления каждого Вт-ч увеличивает показания счетчика.

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. В чем состоят основные преимущества цифрового счетчика электрической энергии по сравнению с индукционным?
• 2. Каково функциональное назначение импульсного перемножающего устройства в электронном (цифровом) счетчике электрической энергии?
• 3. В чем заключаются функции узла ШИМ в импульсном перемножающем устройстве?
• 4. В чем заключаются функции узла АИМ в в импульсном перемножающем устройстве?

• 5. Каково назначение фильтра нижних частот (ФНЧ) в электронном счетчике электрической энергии?
• 6. В чем заключаются функции преобразователя «напряжение—частота» (ПНЧ) в электронном счетчике электрической энергии?
• 7. Каким образом из выходного напряжения преобразователя «напряжение — частота», пропорционального мощности, получить индицируемую счетчиком электрическую энергию в Вт-с (Вт-ч, кВт-ч и т. д.)?
• 8. Допускает ли индукционный счетчик электрической энергии несан-ционированный съем энергии потребителем и возможно ли это в случае с цифровым (электронным) счетчиком?

• [1] Зыкин Ф. А., Коханович В. С. Измерение и учет электрической энергии. М. : Энергоатомиздат, 1983.
• [2] 15 лучших счетчиков электроэнергии — рейтинг 2021 [Электронный ресурс]. 1ЖЬ: http://www.MarkaKachestva.ru (дата обращения: 06.12.2021). 2 Тихонов А. И., Степанов В. И. Электронный счетчик электрической энергии : учеб, пособие. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2001.
• [3] Тихонов А. И. Информационно-измерительная техника и электроника : учеб, пособие по выполнению курсовых работ (проектов) и индивидуальных заданий. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2005; Тихонов А. И., Степанов В. И. Электронный счетчик электрической энергии : учеб, пособие. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2001.